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超聲波硬度計

特此鳴謝：

 

 

超聲波硬度計

簡要介紹及趨勢分析

                                 

 

                          

   

關于材料的“度”？

長度、寬度、高度、

厚度、圓度、錐度;

濕度、溫度、

硬度、強度、

楊氏彈性模量

目錄

l 什么是金屬的硬度？為什么要進行硬度試驗？

l 常見的硬度計有哪些種類？

l 傳統硬度計的優缺點：

l 誰發明了超聲波硬度計和當前國際標準

l 什么是超聲波和楊氏彈性模量？

l 超聲波硬度計的測試原理

l 當前超聲波硬度計的主流品牌及型號有哪些？

l 中國超聲波硬度計的發展現狀

l 時代之峰超聲波硬度計TIME5620的產品性能和特點

l 超聲波硬度計的使用注意事項

l 超聲波硬度計的校正方法

l 超聲波硬度計的發展趨勢

 

 

 

 

 

 1.1什么是金屬的硬度？

l                

        硬度是金屬材料力學性能中*常用的一個性能指標。

l     硬度檢測又是*迅速*經濟的一種試驗方法。但是對于金屬材料的硬度，至今國內外還沒有一個包括所有試驗方法在內的統一而明確的定義。一般說來，金屬的硬度常被認為是：材料對壓入塑性變形、劃痕、磨損或切削等的抗力。

l     對于壓入法來講，也被認為是：材料在一定條件下抵抗另一本身不發生殘余變形物體壓入的能力。之所以存在上述兩種說法，是因為“硬度”本身不是一個簡單物理常數。它是一個不僅決定于所研究材料本身的宏觀與微觀條件（如宏觀的變形程度，冷熱加工條件，微觀的金屬晶體點陣類型、晶格常數和原子間的結合力等），而且也決定于測試的特征和條件量。可以這么說，對于被檢測的材料而言，硬度是代表著在這一定的壓頭和力的作用下所反應的彈性、塑性、塑性形變強化率、強度、韌性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的綜合性能指標。例如，將同樣尺寸、相同材質的壓頭以同樣大小的試驗力分別壓在鐵和銅的表面上，去掉試驗力后看到鐵被壓入的壓痕深度淺，而銅被壓入的壓痕深度深，這表面鐵的形變抗力比銅的形變抗力大，即鐵比銅硬。而實質上在這一比較中，還包括了兩種材料的不同彈性、塑性、塑性形變能力和形變強化率等因素在內。

l     另外，試驗方法不同，硬度值的含義也不相同。例如布氏硬度試驗，是比較不同材料單位面積上所受抗力的大小，而洛氏硬度沒有量綱，只是在使用同一標尺條件下，以數值的大小來比較硬度值的高低。

l     因此，用更準確的定義去更科學的反應出硬度的客觀實質，還有待于人們從實驗中和對金屬宏觀和微觀結構的深入研究中去獲得。盡管如此，在不同試驗方法的基礎上，正確應用試驗原理和試驗條件，得出的試驗結果對于各行各業正確使用金屬材料、監視工藝的正確性、判定產品品質以及在科學試驗中均有重大的實際意義。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

為什么要進行硬度試驗？

 

金屬的硬度隨冷加工變形程度的增大而提高，又隨退火而使材料發生恢復再結晶的程度的增加而降低。時效強化型合金的硬度與采用的各種熱處理工藝所引起的組織變化有關。如可強化鋁合金的熱處理工藝與硬度的關系見圖1-2.

 

1.2硬度試驗的作用和特點:

  硬度測試能敏感反映材料如下幾方面的差異：

   一、化學成分；

   二、組織機構；

   三、處理工藝

   因此硬度測試方法在檢驗原材料、監督熱處理工藝正確性以及在研究固態相變過程和研究新材料、新合金中被廣泛加以利用。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.常見的硬度計有哪些種類？

硬度計名稱	布氏硬度計	洛氏硬度計	維式硬度計	努普硬度計	里氏硬度計	邵氏硬度計	巴氏硬度計	韋氏硬度計
標尺符合	HBW	HRA, HRB, HRC, HR45T	HV	HK	HL	HS	HBa	HW
試驗力(Kg)	62.5, 100, 125,187.5, 250,500, 750, 1000, 1500,3000	15, 30, 45; 60, 100, 150	5, 10, 20,30, 50, 100, 120	10、25、50、100、200、300、500、1000	HL=1000Vr/Va	HS(C,D)=K*h2/h1.	Hba=100-L/0.0076	HW=20-L/0.01
計算公式	HBW=F/A	HR=N-h/s	HV=F/A	HK=F/A	HL=1000Vr/Va	HS(C,D)=K*h2/h1.	Hba=100-L/0.0076	HW=20-L/0.01
類型	臺式/便攜式	臺式/便攜式	臺式	臺式	便攜式	便攜式	便攜式	便攜式

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

布洛維硬度計在同一式樣上測試后的壓痕

 

 

3.傳統硬度計的優缺點：

l 3.1）常規臺式硬度計的優缺點？

l 常規的臺式硬度計有布氏硬度計、洛氏硬度計、維式硬度計、顯微維式硬度計、布洛維硬度計、萬能硬度計等臺式機。

l 臺式機由于采用標準的測試原理進行制造而成，因此測試精度高，但是

l 由于比較笨重，沒有便攜性可言，不適用于現場測量。

l 并且一個測試流程耗費時間較長，比如洛氏的測試時間是在45秒，維式是在200秒，布氏大約300秒，不適合于快速的批量測量。

l 而且產生的測試壓痕較大，通常只能抽樣測量，不適用于全檢測量。

 

 

l 3.2）常規便攜式硬度計的優缺點？

l 常見的便攜式硬度計有里氏硬度計、邵氏硬度計、便攜布氏硬度計、錘擊式布氏硬度計、便攜洛氏硬度計、巴士硬度計、韋氏硬度計。

l 便攜布氏硬度計、錘擊式布氏硬度計、便攜洛氏硬度計采用的直接測量的方法獲取硬度值，因此也存在壓痕大，測試時間長的缺點。

l 邵氏硬度計主要應用于測量橡膠、塑料、海綿及泡棉等非金屬材料，近年來也出現了新的邵氏標尺也可測量金屬的硬度，但還普及程度還有待提高。

l 巴士硬度計、韋氏硬度計主要用來測試鋁、銅、軟鋼及較軟的金屬材料硬度。

l 通常大家指的便攜式硬度計是里氏硬度計，里氏硬度計由于價格低，操作簡單，測試速度快，因此市場的保有量比較大，但由于采用的是彈跳式測量法，對式樣的質量和厚度大小有一定要求，比如小于5KG的式樣需要固定或者偶合后才能測量，并且測量的誤差比較大。

 

 

 

 

我們面臨的問題和困惑

 

l 有沒有一種硬度計既能達到臺式硬度計的測量精度，又便于攜帶，方便現場操作？

l 有沒有一種硬度計能縮短測試的時間，但又有高精度的硬度測量？

l 有沒有一種硬度計能不能不要有太大的壓痕, 又能達到測量的要求？

 

 

超聲波硬度計

（ULTRASONIC Hardness Tester)

l    如果您面臨上述的硬度測量困惑，我們向您推薦超聲波硬度計。您所困惑的幾個問題，超聲波硬度計都能幫您解決掉。

 

 

4.1 誰發明了超聲波硬度計？

   1961年Dr. Claus Kleesattel(1917-2003)發明了UCI(Ultrasonic Contact Impedance )法—超聲接觸阻抗法來快速比較測量金屬材料的硬度。

4.2目前執行的國際標準有哪些？

目前超聲波硬度計執行的主要標準有:

歐洲的DIN 50159-2-2008;

美國的ASTM-A1038-2005；

中國的JB/T 9377-2010; JJG-1432-2013

超聲波硬度計的特點：

“吳廣快搞”

1）無損檢測;

     測試壓痕小、肉眼幾乎看不到。

2）應用廣泛;

     幾乎可以覆蓋所有的金屬硬度檢測，還可 以測量部分陶瓷和玻璃。

3）測量快捷;

手動測量只需要2秒鐘，電動測量只需要5秒鐘。

4）測量精度高;

可達+-1HR；

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. 什么是超聲波？聲波和次聲波？

l 當物體振動時會發出聲音。科學家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20K赫茲。當聲波的振動頻率大于20K赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20K赫茲的聲波稱為“超聲波”。

l 超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠等特點。可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石等。在醫學,**,工業,農業上有很多的應用。

理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個物體振動的能量與振動頻率成正比,超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大。

 

 

5.3什么是楊氏彈性模量?

l 楊氏模量(Young's modulus)是表征在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量，它是沿縱向的彈性模量，也是材料力學中的名詞。

l 1807年因英國醫生兼物理學家托馬斯·楊(Thomas Young, 1773-1829) 所得到的結果而命名。根據胡克定律，在物體的彈性限度內，應力與應變成正比，比值被稱為材料的楊氏模量，它是表征材料性質的一個物理量，僅取決于材料本身的物理性質。楊氏模量的大小標志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發生形變。

l 楊氏彈性模量是選定機械零件材料的依據之一是工程技術設計中常用的參數。楊氏模量的測定對研究金屬材料、光纖材料、半導體、納米材料、聚合物、陶瓷、橡膠等各種材料的力學性質有著重要意義，還可用于機械零部件設計、生物力學、地質等領域。

l 測量楊氏模量的方法一般有拉伸法、梁彎曲法、振動法、內耗法等，還出現了利用光纖位移傳感器、莫爾條紋、電渦流傳感器和波動傳遞技術（微波或超聲波）等實驗技術和方法測量楊氏模量

 

 

超聲波硬度測量法的測量結果的書寫表示方法：

 

例子：300HV2(UCI),  580HV10(UCI), 290HV5(UCI), 970HV0.3(UCI)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. 超聲波硬度計的測試原理

 

6.1維式壓人法測量材料硬度的示意圖

在均勻的接觸壓力下，UCI傳感器振動桿的諧振頻率隨接觸面積的變化而變化。

 

6.1超聲波硬度計壓頭示意圖

 

 

超聲波硬度計采用維式壓頭及測試原理，只是測量面積的方法不是用光學測量法，而是用電子測量法。

 

6.2超聲波硬度計理論計算公式

 

 

6.3 超聲波硬度計探頭原理示意圖

 

 

 

 

 

 

 

6.4UCI測量法：硬度與頻率變化曲線圖

 

幻燈片24

7.當前超聲波硬度計的主流品牌及型號有哪些？

 

品牌	KK/GE (Krautkramer)	BAQ Alpha	NewSonic	JFE (川鐵)	MET (Phase II)	Sautron	Sinowon
產地	德國	德國	德國	日本	俄羅斯	烏克蘭	中國
主要型號	MIC-10; MIC-20	alphaDUR-II UCI	SonoDur	SH21	MET-U1A	Handytest UCI1500	TIME5620
產品圖片

 

備注：超聲波硬度計的生產大國為德國，核心技術只被來自德國、日本的幾個公司掌握。

 

8.中國超聲波硬度計的發展現狀:

l 20世紀80初，超聲波硬度計儀器從國外傳人我國，國內的一些高校開始對超聲波硬度計的原理進行研究，通過校企合作等方式，研發出國產**代指針式的超聲波硬度計。

l **代超聲波硬度計只具備歐美80年代末的技術水平，精度低、故障高，實用性較差，在市場上沒有得到大量的普及。90年代，21世紀初，中國的**用戶還是靠進口德國和日本的超聲波硬度計來解決需求問題。

 

 

l 中國生產銷售超聲波硬度計的產地主要有3個地方，一個是東莞，一個是營口，一個是時代。

 

 

 

超聲波硬度計TIME5620產品介紹

 

 

時代之峰-超聲波硬度計-TIME5620

l  測量精度高——可達±3% HV,±1.5HR,±3%HB

l  測試壓痕小——需用高倍顯微鏡才能觀察到

l  測量速度快——可在 2 秒內輸出測試結果

l  大屏幕顯示——直接顯示當前測量值、累計測 量值、*大值、*小值、平均值及上下偏差  

l  操作簡便——不需要專業培訓即可上手測量

l  穩定性高——中旺鄭重承諾保固期長達兩年

l  海量存儲——可同時存儲2000組測量數據

l  校正簡單——可存儲20組校正數據供調用無須再浪費時間對同一材料反復進行校正

 

 

 

 

9.超聲波硬度計TIME5620的產品性能和特點：

產品名稱	超聲波硬度計
型號	TIME5620
貨號	882-121
真實試驗力	2Kgf(可選1Kgf、5Kgf、10Kgf)
測量范圍	HV 50～1599 ; HRC20～70 ; HB85～550; HRB: HRA: HS: Mpa:
測量精度	HV:±3%HV; HRC:±1.5HRC; HB:±3%HB
壓頭規格	136°金剛石壓頭
測量方向	支持360°
數據存儲	可存儲2000組測量數據和20個校準值
硬度標尺	HV、HB、HRA, HRB, HRC, HS, Mpa等
數據顯示	測量值、*大值、*小值、平均值、上偏差、下偏差等Maximum、Minimum、deviation and conversion scale.
持續工作時間	10小時（不開背光燈）
硬度值讀取	LCD顯示屏顯示
適用環境	溫度：-10℃~50℃;  濕度:30%~80%
工作電壓	DC5V(4000muA)
外形尺寸	160x80x31mm
重量	500g（不包括探頭）

TIME5620探頭HP-K 測頭技術參數:

 

 

測頭類型	HP-1K	HP-2K	HP-5K	HP-10K
貨號	882-311	882-321	882-331	882-341
配置	選配	標配	選配	選配
真實試驗力	10N	20N	50N	98N
直徑	22mm	22mm	22mm	22mm
長度	154mm	154mm	154mm	154mm
諧振棒直徑	2.4mm	2.4mm	2.4mm	2.4mm
測量面*大粗糙度	Ra<3.2um	Ra<5um	Ra<10um	Ra<15um
工件*小重量	0.3kg	0.3kg	0.3kg	0.3kg

 

TIME5620電動測頭MP系列技術參數

測頭類型	MP-300	MP-500	MP-800	MP-1000
貨號	882-311	882-321	882-331	882-341
配置	選配	選配	選配	選配
真實試驗力	3N	5N	8N	10N
直徑	22mm	22mm	22mm	22mm
長度	154mm	154mm	154mm	154mm
諧振棒直徑	3.5mm	3.5mm	3.5mm	3.5mm
測量面*大粗糙度	Ra<1um	Ra<1um	Ra<1um	Ra<1um
工件*小重量	0.3kg	0.3kg	0.3kg	0.3kg

 

超聲波硬度計HP-K探頭的應用領域：：

負荷	模式	特性	典型應用
98 N	標準長度（手動）	壓痕較大，對表面要求*低	小型鍛件、鑄造材料、焊縫檢查、熱影響區
49 N	標準長度（手動）	常用	感應硬化或滲碳零件，如凸輪軸、渦輪焊縫檢查、熱影響區
	長探頭（手動）	延長30mm	測量凹槽、齒側和齒根
	短探頭（手動）	長度縮短（90mm），電子元件分離式布置	渦輪葉片、直徑大于90 mm的管道內壁
9.8 N	標準長度（手動）	容易加壓，提供小半徑測試的控制	離子滲氮沖模、模殼、夾具、薄壁件
	長探頭（手動）	延長30mm	軸承、齒側
	短探頭（手動）	長度縮短（90mm），電子元件分離式布置	渦輪葉片、直徑大于90 mm的管道內壁
7.8 N	電動探頭	電機加載	光滑的精密零件、齒輪、軸承滾道
3 N	電動探頭	電機加載，凹痕更小	薄層，如鋼筒上的銅或鉻；銅輪轉影印筒；鍍層、表面硬化件
1 N	電動探頭	電機加載，凹痕更小	薄層和鍍層

 

 

TIME5620標準硬度塊技術參數：

硬度值范圍	貨號#	均勻度	粗糙度	硬度塊尺寸
(28~35)HRC	882-611	±1.5HRC	Ra=0.02um	?90x16mm
(38~43)HRC	882-621	±1.5HRC	Ra=0.02um	?90x16mm
(48~53)HRC	882-631	±1.5HRC	Ra=0.02um	?90x16mm
(58~63)HRC	882-641	±1.5HRC	Ra=0.02um	?90x16mm

 

TIME5620產品特點：

l 1）對被測工件表面無損傷 、操作簡便、穩定性好、測試精度高；

l 2）選配測試支架對成品小工件批量檢測速度快、操作簡便、測試精度高；

l 3）可以檢測金屬薄片、金屬薄層（包括滲氮層、滲碳層、電鍍層 ）小件、異形件、不可移動的大型工件等；

l 4）布、洛、維三種制式轉換；

l 5）可對硬度值分布不均勻的被測工件做多點累計求平均值；

l 6）可手持測頭直接對工件進行檢測。

 

美標:ASTM  A1038-2005、歐標 DIN 50159-1-2008、中國行標JB/T 9377-2010誤差對比分析：

超聲波硬度計 歐標DIN 50159-2-2008示值誤差要求(%)
硬度標尺	﹤250HV	250～500HV	500～800HV	﹥800HV
HV0,1	6	7	8	9
HV0.3	6	7	8	9
HV0,8	5	5	6	7
HV1	5	5	6	7
HV5	5	5	6	5
HV10	5	5	5	5

 

超聲波硬度計ASTM  A1038-2005誤差要求

 

 

中文翻譯：

15. 檢驗

15.1 檢查UCI硬度計，要使用選定的標尺在標準塊上進行至少兩次測量。

15.2 如果每一個數值的誤差在標稱值的±3%以內，可認為合格。不合格品不得用于檢測，需修補或進一步檢驗

JB/T 9377-2010超聲波硬度計示值誤差及示值重復性要求
硬度范圍	示值誤差的*大允許值	示值重復性的*大允許值
150HBW～350HBW	±15%	15%
﹥350HBW～540HBW	±10%	10%
150HV～200HV	±15%	15%
﹥200HV～400HV	±10%	10%
﹥600HV～999HV	±3%	3%
25HRC～35HRC	±2.0HRC	2.5HRC
40HRC～50HRC	±2.0HRC	2.5HRC
55HRC～65HRC	±2.0HRC	2.5HRC

 

從三大標準看硬度塊的差異：

標準	標準塊尺寸	標準塊重量	標準塊鏡面度
ASTM A1038-2005	﹥￠80x16mm	615g	12K
DIN 50159-1-2008	﹥￠90x16mm	800g	12K
J/BT 9377-2010	無明確論述	無明確論述	無明確論述

 

中國計量科學研究院檢定報告：

 

 

中國計量科學研究院（NIM)對超聲波硬度計TIME5620樣機的檢定結果數據 TIME5620 隨機樣機編號(S/N: 88211100100) and 1Kg探頭 (S/N: 88210100100) 檢定證書編號.: LSyd2013-1001
硬度塊編號	硬度塊示值	硬度計示值	示值誤差(%)	示值重復性(%)
HL1301-005	756HV5	758HV5	0.3%	0.9%
LL1301-006	186HV5	182HV5	2.2%	1.1%

 

中國計量科學研究院出具的時代之峰超聲波硬度計檢定報告書：

 

 

10.超聲波硬度計的使用注意事項

l 10.1試樣的制備

l —試驗力（也就是探頭的選擇）和材料的表面粗糙度有關。光滑、均一的表面可以用小負荷，粗糙表面的負荷則應盡量增大。表面雜質必須去除，無油無塵，并且粗糙度不能超過壓痕深度的30 %（Ra≤0.3×h）其中

l 特定硬度（HV）和負荷（N）下，維氏金剛石壓頭的壓痕深度見公式2。

 

 

 

l                                                      公式2

l 表1提供了適合特定UCI維氏探頭的*小表面粗糙度，如果需要表面處理，注意不要因為過熱或冷作硬化改變表面硬度。任何油漆、污垢或其他表面覆蓋物均需完全**。表面質量不好會導致示值不穩定，粗糙表面往往會降低測量值。

l           表1：不同試驗力的對式樣表面的粗糙度要求：

 

 

 

 

測試負荷	98 N	50 N	10 N	3 N
Ra	≤15 μm	≤10 μm	≤5 μm	≤2.5 μm

 

l 10.2*小厚度:

l 較大材料的薄鍍層或表面層必須達到*小厚度，即凹痕深度的十倍（維氏凹痕見圖3）。符合：Smin = 10×h

 

 

 

圖3 在1N到98N的不同負荷下，維氏金剛石的壓痕深度

10.3*小厚度:

   樣品厚度小于15mm時，若發生共振，示值會明顯改變，例如薄片和管子。多數擾動是振動端激起的彈性振動，應使用合適的方法抑制。可以將試樣粘在大質量金屬塊上，膠和油膜都可以阻止彈性波，但是建議有至少2~3mm的厚度。

  

  10.4振動的影響：

    UCI法的基礎是測量頻率改變，低于300g的零件會發生振動，導致錯誤或者不確定的結果。質量小于*小質量或者部分厚度小于*小厚度的試樣需要剛性支撐，耦合到厚的大質量剛體表面來抵抗UCI探頭的振動。缺乏合適的支撐或耦合會導致或高或低的結果。

幻燈片41

10.5表面曲率：

帶曲面試樣的凹面和凸面都可以進行測量，需要與曲率半徑相配的探頭和探頭附件來保證垂直。

  

   10.6溫度：

   試樣溫度也可能影響UCI法測量的結果。但是，如果探頭僅在測量時暴露于高溫中，即使高于室溫也可進行測量，不會影響超聲波硬度計儀器的性能。

幻燈片42

11.超聲波硬度計的校正方法

l 11. 1為其他材料校準

l     準備特定材料的式樣在工作機上測定硬度值，其硬度值可由常規臺式硬度計如維氏、布氏或洛氏中的一種確定，見ASTM A 370。

l     校準平均硬度值至少需要5個讀數。在被測材料上進行至少5次UCI測量。將顯示的平均硬度值調整到先前測得的硬度值，即可得出校準值，從而在希望的硬度標尺和范圍內測量此種材料的硬度。對于不同材料的硬度檢測，TIME5620允許存儲20組的校準數據，需要的時候調用即可。

 

l 11.2 UCI與HV硬度測試方法對比:

l     與傳統小負荷硬度測試相比，UCI法用電子而非光學的方法評價凹痕尺寸。UCI法依賴于測定彈性模量，是一種比較測量法。

 

l     移除負荷后，使用維氏金剛石的UCI探頭壓出的凹痕與同負荷下常規臺式維氏測試中的凹痕幾乎一致。

 

l     按照ASTM E 92的規定加載，且使用了維式UCI壓頭，其凹痕可用標準維氏測試的光學方法來測量, 來檢定UCI的測量是否準確。

 

 

11.3關于用戶特殊材料工件的標定

 

 

12.超聲波硬度計的發展趨勢：

發展趨勢	產品特點
智能化	顯示終端操作系統化、支持USB、藍牙、WIFI、支持多語言，智能識別不同測頭，支持存儲調用多種材料的校正數據，支持自動識別和調用校正數據
電動化	自動測頭：馬達加載，減少測量誤差。尤其是小試驗力電動測頭的發展是未來發展趨勢。
多標尺化	支持多標尺直接測量：支持里氏硬度測頭進行HL標尺直接測量； 支持肖氏硬度測頭進行HS標尺直接測量。

 

13.超聲波硬度計的應用行業及典型客戶

 

 

 

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敬請指正